第 1 章 绪论
1.1选题背景和意义
地震灾害自古以来都严重威胁着人类社会的生存和发展。据不完全统计，每年全球大大小小的地震保守估计有 500 万次，具有破坏性震级的地震平均值虽然很小，但是地震带给人类的危害和损失却是巨大的。我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重。近年来，我国由于自然灾害受到的损失不断增加，重大自然灾害甚至巨大灾害时有发生，2008 年 5 月 12 日，四川汶川发生 8.0 级特大地震，损失影响之大，举世震惊。针对我国自然灾害严重的这一基本国情，进一步加强防灾减灾工作，全面提高防灾减灾能力，是保护人民生命财产安全、促进经济社会可持续发展的必然要求。通过对汶川震区的灾害调查和结论表明，提高抗震设防能力是减轻地震灾害损失的根本性措施。汶川地震造成大量房屋倒塌给我们的启示，抗震过程中消耗地震能量是抵抗地震危害的有效措施。面对增加结构本身刚度和变形能力的传统抗震设计理念的不足，且随着人类防御和抵御地震能力的提高，使结构振动控制[1]理念随之被提上了抗震日程。结构振动控制相对于传统抗震理念，是通过设置外部附属结构通过提高结构刚度、强度和延性来削弱结构自身的振动[42]，而在结构中安装结构消能器是现在比较经济、实用、可靠的一种方法，有效的保护了结构在强震中的安全。
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1.2结构减震振动控制理念的认识
根据结构对外部能量需求来划分，结构振动控制可以分为被动控制、主动控制、半主动控制以及混合控制[2,3]，如图 1-1被动控制又可以分为基础隔震、质量调谐减震、耗能减震，它是一种不需要外界能源的控制方式，往往通过在自身结构中增加附属结构，依靠附属结构吸收地震能量从而起到降低结构自身振动作用的一种方式。被动控制结构因其施工简单，造价低廉，可靠性强等特点被普遍使用。(1)基础隔震：基础隔震是通过在基础顶部和结构底部设置隔震层形成隔震系统，可以缓冲上部结构传播的直接荷载以增加结构的振动周期，减小振动加速度，最终达到减弱自身振动的目的。现在常用于基础隔震的就是隔震支座，隔震支座可分为橡胶隔震支座、摩擦滚摆式支座等。(2)质量调谐减震：质量调谐减震是通过在结构中增加子结构，延长结构振动周期，避免结构各构件共振，或者提供与结构振动反方向的力以减小结构构件的振动。（3）耗能减震：耗能减震原理是在结构中安装阻尼器或者耗能器，增加结构的初始刚度和屈服力，使结构处于弹性阶段；而屈服后的刚度同样增大，耗能器产生较大的阻尼，使结构在阻尼器或者耗能器的作用下延性增加，消耗部分地震能量，减小结构振动，减轻结构的损伤。耗能减震方式分为速度型耗能减震和位移型耗能减震。速度型消能器的恢复特性与速度加速度相关，减震机理可以简单总结为：由于耗能器材料的特殊性，可以提供与外部相反的速度与加速度以缓冲结构本身的速度与加速度，耗散地震能量。位移型消能器则是通过耗能器本身的弹性变形产生的位移以及塑性变形吸收地震能量，减缓建筑物运动。其中应用较为普遍的便是金属耗能器。
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第 2 章 金属阻尼器的力学分析理论
2.1 金属阻尼器的力学模型
金属阻尼器的恢复力特性数学模型可以分为复杂数学公式描述的曲线型和分段折线描述型。这两种恢复力模型都是通过阻尼器在不同位移情况下的滞回曲线得到的曲线图[3,30]。常用的金属阻尼器恢复力模型中Ramberg-osgood（多曲线模型）和Bouc-Wen属于复杂数学公式进行描述的模型；理想弹塑性模型和双线性模型（应变硬化模型）是通过分段线性化折线描述的模型。本文所述软钢阻尼器的本构关系采用双线性模型。
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2.2 软钢阻尼器的减震原理
地震时，由于软钢阻尼器具有低屈服点、柔性和延展性较高、跟踪能力强等特性，阻尼器会先于梁柱框架等构件进入塑性状态，而这种弹塑性变形特性正是消耗地震能量最有效的机制之一。软钢耗能器的弹塑性变形机制如下：随着应变的继续增加，B点应变所对应的为屈服应力，超过屈服应力，进入塑性阶段，塑性阶段应力随应变增加的速率逐渐减小。当应力增长到最大值（极限应力）时，材料进入卸载阶段，卸载时软钢不再回到初始状态，而是呈现与弹性阶段相同梯度的曲线下降趋势，留存残余应变。图中面积ABCE表示输入功，面积DCE表示金属中储存的能量，也等同于卸载阶段释放的能量值，面积ABCD则表示软钢在耗能阶段所吸收的能量。骨架曲线是确定恢复力模型中特征点的重要依据，他是将同方向（拉或压）加载的荷载—位移曲线中，超过前一次加载最大应力的区段平移相连后得到的曲线。或者表述为滞回曲线上同向（拉或压）各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线。骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性（强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等）
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第 3 章 新型软钢阻尼器的设计......17
3.1 ABAQUS 建模简述.....17
3.2 新型开孔 T 型软钢阻尼器........18
3.3 新型箱型软钢阻尼器....28
3.4 新型 S 型软钢阻尼器.... 34
3.5 安装新型软钢阻尼器的组合钢框架的耗能研究........41
第 4 章 安装新型软钢阻尼器框架结构抗震性能分析......45
4.1 结构动力时程分析........45
4.2 结构的反应谱分析........58
4.3 本章小结......63
第 4 章 安装新型软钢阻尼器框架结构抗震性能分析
金属耗能减震结构体系的抗震计算分析方法[3][37]通常分为时程分析法、分解反应谱法、弹塑性（Push-over）分析法和能量分析法四种。本文将在 SAP2000有限元分析软件中采用时程分析法和分解反应谱法对未安装软钢阻尼器的纯框架和安装有新型软钢阻尼器的框架进行动力特性和抗震性能的分析。
4.1 结构动力时程分析
4.1.1 耗能减震结构减震原理
耗能减震结构减震原理亦即时程分析法的基本原理，根据结构体系是否进入塑性阶段以及耗能器恢复力特性分为线性和非线性分析：在输入地震能量较小时，耗能阻尼器没有产生塑性变形，此时处于线性阶段，阻尼器的作用是为结构提供刚度，以减小结构的地震响应；当输入能量较大时，耗能阻尼器进入耗能状态，此时为非线性阶段，该状态下的阻尼器不但能够为结构提供额外的刚度，还可以增加结构的阻尼，从而耗散地震能量[39]。
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结论
金属软钢耗能阻尼器因其制作工艺简单，安装方便，滞回耗能性能优良，在既有建筑和新建建筑中被普遍应用推广。本文通过对国内外金属软钢阻尼器发展状况的对比研究，总结了软钢阻尼器的存在问题，并在此基础上推出了三种新型软钢阻尼器，分别是新型 T 型开孔软钢阻尼器、新型开孔箱型软钢阻尼器和新型 S 型软钢阻尼器。本文利用 ABAQUS 有限元大型模拟软件分别对新型 T 型开孔软钢阻尼器、新型开孔箱型软钢阻尼器和新型 S 型软钢阻尼器及三种软钢阻尼器组合形式的钢框架进行了静力分析，得到如下结论：
1）新型软钢 T 型阻尼器腹板开孔形式分别为条形、椭圆形和菱形，在给定的拟静力低周反复荷载加载制度下，T 型软钢阻尼器耗能性能会随着腹板肢高和肢宽的增加而增强，即开孔率越小，其抵抗地震能力越强。T 型阻尼器总体屈服位移较小，滞回曲线形状饱满，耗能性能良好。
2）新型开孔箱型软钢阻尼器通过改变腹板竖角大小进行平面内受力分析，模拟参数可知，随着腹板竖角角度的减小，试件的初始刚度，屈服力，和屈服后的刚度越大，滞回曲线越饱满，呈现的耗能性能越稳定。而在平面外受力分析时，竖角越大，面外稳定性越强。在开孔率相同的情况下，菱形开孔箱型软钢阻尼器性能较好。
3）新型 S 型软钢阻尼器在侧向板的作用下会保证该阻尼器主体的稳定性，而该阻尼器的耗能性能随着试件翼缘厚度的增加而增强，其耗能特性如屈服力、初始刚度、屈服后刚度、等效阻尼比等均相应的提高。对于翼缘宽度的改变，虽然各工况下的阻尼器耗能性能相近，但是滞回曲线饱满，可以知道，S 型软钢阻尼器耗能大部分是通过腹板耗能。
4）三种软钢阻尼器相互组合，安装在钢框架中与纯框架下的拟静力模拟可知，安装软钢阻尼器的钢框架结构整体屈服位移较小，屈服力较大，能够提前进入塑性耗能阶段。并且安装软钢阻尼器的框架在低轴往复荷载作用下，初始刚度较大，滞回曲线形状饱满，耗能性能良好。五种工况中，安装有箱型和 S型软钢阻尼器的组合钢框架结构性能较为优越。
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参考文献(略)